卓金管件有限公司椭圆铝翅钢管空冷器传热及流阻性能研究学习体会
文献概况与技术背景
陈亚平等发表于《热力发电》2003年第32卷第3期的这篇论文，研究了轧片式椭圆铝翅钢管作为换热器换热元件的传热和流阻特性。椭圆铝翅钢管是一种将椭圆形钢管与铝翅片组合的强化传热元件，通过铝翅片的扩展表面积和椭圆截面的流动扰动效应，实现传热效率的显著提升。该研究对于空冷发电机组的空气冷却器和大中型变压器冷却器的设计与选型具有重要参考价值。
试验方法与结果分析
试验方法
论文采用威尔逊图解法（Wilson Plot Method）分离换热器两侧的换热系数，这是一种经典的换热器性能测试方法。其基本原理是通过改变一侧的流速（如空气侧的风速），保持另一侧条件不变，利用传热方程的线性关系，通过图解法分离出两侧换热系数。
威尔逊图解法的具体步骤如下：
- 在恒定热流条件下，改变空气侧风速，记录对应的传热温差和热流密度；
- 以热流密度的对数为纵坐标，空气侧风速的n次幂（n为经验值，通常取0.6~0.8）的对数为横坐标作图；
- 在图线上选取若干点，通过线性外推确定水侧换热系数和空气侧换热系数；
- 验证分离结果的合理性。
试验结果
研究表明，椭圆铝翅钢管具有以下性能特点：
| 性能指标 | 椭圆铝翅钢管 | 圆形铝翅钢管（对比） |
|---|---|---|
| 传热系数 | 较高 | 中等 |
| 流阻系数 | 较低 | 较高 |
| 结构强度 | 足够 | 较高 |
| 翅片贴合度 | 良好（轧片工艺） | 良好 |
| 制造成本 | 适中 | 较低 |
椭圆截面的优势在于：在相同周长条件下，椭圆截面具有较大的截面积和较小的流动阻力。铝翅片通过轧片工艺（roll-bonding）与钢管表面紧密结合，消除了翅片与基管之间的接触热阻，这是轧片式翅片管相对于套片式翅片管的核心优势。
钢管制造与焊接工艺要点
椭圆铝翅钢管的制造涉及钢管成型、翅片轧制和焊接三个关键环节，每个环节都有严格的技术要求。
椭圆钢管成型
椭圆钢管的成型通常采用以下工艺路线：
- 冷弯成型法：将圆形钢管通过多道次滚压逐步弯曲为椭圆形。该方法适用于壁厚较薄（通常小于3mm）的钢管，成型精度高，但需要较大的成型力。
- 热成型法：将钢管加热至奥氏体化温度后，通过模具成型。该方法适用于壁厚较大的钢管，成型力小，但需要控制加热温度和冷却速度以避免晶粒粗化。
- 挤压成型法：通过热挤压或温挤压将圆管变形为椭圆管。该方法成型质量好，但设备投资大。
椭圆钢管的成型质量控制要点包括：
- 椭圆度偏差：通常控制在±1.5%以内；
- 壁厚偏差：椭圆化后壁厚变化率应控制在±10%以内；
- 表面质量：不得有裂纹、折叠、起皮等缺陷；
- 残余应力：冷弯成型后应进行去应力退火处理。
铝翅片轧制
轧片工艺是将铝翅片带材与钢管同时通过轧辊，在高压下使铝翅片与钢管表面产生冷焊（cold weld）连接。该工艺的关键参数包括：
| 工艺参数 | 典型范围 | 控制要点 |
|---|---|---|
| 轧制压力 | 根据翅片厚度和钢管壁厚确定 | 压力不足则贴合不良，压力过大则损伤钢管 |
| 轧制速度 | 5~30 m/min | 速度过快则冷焊不充分 |
| 翅片厚度 | 0.1~0.3 mm | 过薄则强度不足，过厚则流阻增大 |
| 翅片高度 | 5~15 mm | 根据换热需求确定 |
| 翅片间距 | 1.5~3.0 mm | 过小则流阻大，过大则传热差 |
轧片质量的关键在于翅片与钢管之间的冷焊强度。冷焊强度不足会导致翅片脱落，严重影响换热器的使用寿命。在制造过程中，应通过翅片拉拔试验验证冷焊强度，一般要求拉拔力不低于一定值（通常根据翅片宽度和材料强度确定）。
钢管焊接
椭圆铝翅钢管在制造过程中，钢管的对接焊缝通常位于翅片区域的背面或无翅片区域，以避免焊缝影响翅片的传热性能。焊接工艺选择需考虑以下因素：
- 对于碳钢基管，可采用TIG焊（GTAW）或MIG焊（GMAW），焊接材料根据钢级选择；
- 对于不锈钢基管，应采用TIG焊（GTAW），填充金属选用同类型或超低碳不锈钢焊丝；
- 焊接接头应进行100%无损检测（RT或UT），确保无裂纹、未熔合等致命缺陷。
工程应用与注意事项
椭圆铝翅钢管在空冷发电机组的空气冷却器（空冷岛）中应用广泛。空冷岛替代传统的冷却塔，利用空气直接冷却发电机的排汽，具有节水、环保等优点，特别适合缺水地区。
在工程应用中，需注意以下事项：
- 腐蚀防护：铝翅片在含硫气体环境中易发生腐蚀，需对翅片表面进行防腐处理（如阳极氧化、涂覆防腐涂层）。钢管基管应根据介质腐蚀性选择适当的钢级或采用防腐涂层。
- 污垢控制：空冷器翅片表面容易积灰和结垢，降低传热效率。椭圆截面的自清洁效应优于圆形截面，但仍需定期清洗。
- 振动控制：椭圆管在气流作用下可能产生涡激振动，需通过合理布置管排间距和支撑间距来抑制振动。
- 热应力控制：铝翅片和钢管基管的热膨胀系数不同（铝约23×10⁻⁶/°C，碳钢约12×10⁻⁶/°C），在温度变化时会产生热应力，需通过合理的结构设计予以控制。
学习心得与总结
这篇文献虽然篇幅不长，但系统地阐述了椭圆铝翅钢管的传热和流阻性能，为换热器的设计选型提供了有价值的试验数据。从钢管制造和焊接的角度来看，椭圆铝翅钢管的制造质量直接决定了换热器的性能和寿命。轧片工艺的冷焊强度、钢管的成型精度和焊接质量是三个关键的质量控制点。随着空冷技术的推广和大型空冷岛的应用，椭圆铝翅钢管的需求量将持续增长，对制造技术和质量控制提出了更高要求。未来，随着新型铝合金翅片材料（如Al-Si合金、Al-Mg-Si合金）和新型钢管材料（如双相不锈钢管、超级奥氏体不锈钢管）的应用，椭圆铝翅钢管的性能仍有进一步提升的空间。